Java Timer&TimerTask原理分析
如果你使用Java语言进行开发,对于定时执行任务这样的需求,自然而然会想到使用Timer和TimerTask完成任务,我最近就使用 Timer和TimerTask完成了一个定时执行的任务,实现得没有问题,但当在TimerTaks的run()方法中使用 Thread.sleep()方式时,可能会出现奇怪的现象,好像Timer失效了,网上查了一下,倒是有人遇到了相同的问题,但是并没有找到一篇解释为什么会出现这种情况,期待有某位达人能够分析清楚这个问题。
遇到了这样的问题,始终让我不爽,于是看了一下Timer的源码,先将了解到的内容整理如下,接下来再看看Thread.sleep()的源码,看能否找到问题所在。
在Java中,与定时任务执行相关的类很少,只有Timer、TimerTask、TimerThread、TaskQueue几个,其中每个类的职责大致如下:
Timer:一个Task的调度类,和TimerTask一样,暴露给最终用户使用的类,通过schedule方法安排Task的执行计划。该类通过TaskQueue和TimerThread类完成Task的调度。
TimerTask:实现Runnable接口,表明每一个任务均为一个独立的线程。通过run()方法提供用户定制自己任务。该类有一个比较重要的成员变量nextExecutionTime ,表示下一次执行该任务的时间。以后会看到,Timer机制就是靠这个值安排Task执行的。
TimerThread:继承于Thread,是真正执行Task的类。
TaskQueue:一个存储Task的数据结构,内部由一个最小堆实现,堆的每个成员为一个TimeTask,每个Task依靠其 nextExecutionTime值进行排序,也就是说,nextExecutionTime最小的任务在队列的最前端,从而能够现实最早执行。
要想使用Timer,用户只需要了解Timer和TimerTask,下面现已一个最基本的Timer和TimerTask使用案例入手,来看一下Timer内部的实现原理。
import java.util.Timer; import java.util.TimerTask; import org.junit.Test; class TestTimerTask extends TimerTask { @Override public void run() { System.out.println("TestTimerTask is running......"); } } public class TimerTaskTest { @Test public void testTimerTask() { Timer timer = new Timer(); timer.schedule(new TestTimerTask(), 0, 10); } }
上面的代码是一个典型的Timer&TimerTask的应用,下面先来看一下new Timer()干了什么事,其源码如下:
public Timer(String name) {
thread.setName(name); //thread为TimerThread实例。
thread.start();
}
从上面的源代码可以知道,创建Timer对象的同时也启动了TimerThread线程。下面来看看TimerThread干了什么事:
public void run() { try { mainLoop(); //线程真正执行的代码在这个私有方法中 } finally { // Someone killed this Thread, behave as if Timer cancelled synchronized(queue) { newTasksMayBeScheduled = false; queue.clear(); // Eliminate obsolete references } } }
接着来看看私有方法mainLoop()干了什么事:
private void mainLoop() { while (true) { try { TimerTask task; boolean taskFired; //是否已经到达Task的执行时间,如果已经到达,设置为true,否则置为false synchronized(queue) { // Wait for queue to become non-empty while (queue.isEmpty() && newTasksMayBeScheduled) queue.wait(); //由此可以看出,Timer通过wait & notify 方法安排线程之间的同步 if (queue.isEmpty()) break; // Queue is empty and will forever remain; die // Queue nonempty; look at first evt and do the right thing long currentTime, executionTime; task = queue.getMin(); synchronized(task.lock) { if (task.state == TimerTask.CANCELLED) { queue.removeMin(); continue; // No action required, poll queue again } currentTime = System.currentTimeMillis(); executionTime = task.nextExecutionTime; if (taskFired = (executionTime<=currentTime)) { //Task的执行时间已到,设置taskFired为true if (task.period == 0) { // Non-repeating, remove queue.removeMin(); //移除队列中的当前任务 task.state = TimerTask.EXECUTED; } else { // Repeating task, reschedule queue.rescheduleMin( //重新设置任务的下一次执行时间 task.period<0 ? currentTime - task.period : executionTime + task.period); } } } if (!taskFired) // Task hasn't yet fired; wait queue.wait(executionTime - currentTime); //还没有执行时间,通过wait等待特定时间 } if (taskFired) // Task fired; run it, holding no locks task.run(); //已经到达执行时间,执行任务 } catch(InterruptedException e) { } } }
也就是说,一旦创建了Timer类的实例,就一直存在一个循环在遍历queue中的任务,如果有任务的话,就通过thread去执行该任务,否则线程通过wait()方法阻塞自己,由于没有任务在队列中,就没有必要继续thread中的循环。
上面提到,如果Timer的任务队列中不包含任务时,Timer中的TimerThread线程并不会执行,接着来看看为Timer添加任务后会出现怎样的情况。为Timer添加任务就是timer.schedule()干的事,schedule()方法直接调用Timer的私有方法 sched(),sched()是真正安排Task的地方,其源代码如下:
private void sched(TimerTask task, long time, long period) { if (time < 0) throw new IllegalArgumentException("Illegal execution time."); synchronized(queue) { if (!thread.newTasksMayBeScheduled) throw new IllegalStateException("Timer already cancelled."); synchronized(task.lock) { if (task.state != TimerTask.VIRGIN) //我喜欢virgin状态,其他状态表明该Task已经被schedule过了 throw new IllegalStateException( "Task already scheduled or cancelled"); //设置Task下一次应该执行的时间, 由System.currentTimeMillis()+/-delay得到 task.nextExecutionTime = time; task.period = period; task.state = TimerTask.SCHEDULED; } queue.add(task); //queue为TaskQueue类的实例,添加任务到队列中 if (queue.getMin() == task) //获取队列中nextExecutionTime最小的任务,如果与当前任务相同 queue.notify(); //还记得前面看到的queue.wait()方法么 } }
不要奇怪,为什么要判断queue.getMin() == task时,才通过queue.notify()恢复执行。因为这种方式已经满足所有的唤醒要求了。
如果安排当前Task之前queue为空,显然上述判断为true,于是mainLoop()方法能够继续执行。
如果安排当前Task之前queue不为空,那么mainLoop()方法不会一直被阻塞,不需要notify方法调用。
调用该方法还有一个好处是,如果当前安排的Task的下一次执行时间比queue中其余Task的下一次执行时间都要小,通过notify方法可以提前打开queue.wait(executionTime - currentTime)方法对mainLoop()照成的阻塞,从而使得当前任务能够被优先执行,有点抢占的味道。
上述分析可以看出,Java中Timer机制的实现仅仅使用了JDK中的方法,通过wait & notify机制实现,其源代码也非常简单,但可以想到的是这种实现机制会对开发者造成一种困扰,sched()方法中可以看出,对于一个重复执行的任务,Timer的实现机制是先安排Task下一次执行的时间,然后再启动Task的执行,如果Task的执行时间大于下一次执行的间隔时间,可能出现不可预期的错误。当然,了解了Timer的实现原理,修改这种实现方式也就非常简单了。